WO2003032482A1 - Apparatus for switching windings of ac three-phase motor - Google Patents
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Definitions
- This configuration is suitable for high-speed operation because it has a lower impedance than in the case of using the entire motor winding, so that a sufficient current can flow even in a high-frequency region.
- SW1 is turned on
- the motor terminals TU4, TV4, and TW4 are short-circuited through DB2, and all the windings TU2—TU4, TV2-TV4, TW2—TW4
- a voltage is applied to the configured star connection.
- the current flowing through D1, R, and D2 from the negative terminal on the DC output side of DB1 is negligibly small because the resistance value of the discharge resistor R is large.
- Fig. 2 shows the voltage state when SW1 is turned on and when SW2 is turned on in vector. Even if a high-speed winding (Fig. 2 (a)) using a part of the winding is selected, the remaining winding terminals (TU3, TV4, TW4) will have the same voltage as the power supply voltage and will not induce any force. You can see that.
- a winding switching device for a three-phase AC motor comprising: a line switching means; and a variable frequency power supply for supplying a variable frequency variable voltage to the AC motor, wherein the winding switching means comprises: A plurality of three-phase rectifiers each having one end connected to the variable frequency power supply and the other end connected to the AC input terminal of the three-phase rectifier for each phase; Since it is composed of a semiconductor switch provided to open and close both ends on the DC output side of the means, it has the following effect.
- the switching of the winding can be performed in a much shorter time than in the case of the switching method using contacts, so that the effect of switching to a machine or device serving as a load can be minimized.
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Abstract
Description
關分野] Related field]
本発明は、 3相交流電動機の巻線を切換ることによって速度制御範囲を拡大す る 3相交流電動機の巻線切換装置に関するものであり、 車両駆動、 工作機械主軸 駆動、 クレーンの横行'走行、 卷取り機、 サーボ装置を含む広い範囲の産業分野 を対象とするものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a winding switching device for a three-phase AC motor that expands a speed control range by switching windings of a three-phase AC motor, and is used for driving a vehicle, driving a machine tool spindle, and traversing a crane. It covers a wide range of industrial fields, including winders, winding machines and servo devices.
' [背景技術] '' [Background technology]
交流可変周波数電源で駆動される工作機械の主軸や車両の駆動装置において、 低速領域で十分に大きレ、ト クを得るとともに、 高速領域での運転を可能にする ための手段として、 卷線切換方法が採用されている。 As a means to obtain a sufficiently large torque in the low-speed region and to enable operation in the high-speed region, the winding switching is used for the main shaft of the machine tool and the drive of the vehicle driven by the AC variable frequency power supply. The method has been adopted.
図.6に示すスター ·デルタ切換方法は、 工作機械の主軸駆動等に広く実用され ているものの一例である。 図 6において、 2 2は電源、 1 6〜2 1は 3相全波整 流ブリッジを構成するダイォード、 1 5は平滑コンデンサである。 1 4は交流電 源 2 2を直流電源に変換するコンバータ部である。 端子 T P , T Nはコンバータ 部 1 4の直流出力端子であり、 ィンバータ部 1の入力となる。 2は交流電動機、 T 1〜T 6は切換に用いられる端子、 3と 4は電磁接触器等の開閉器である。 開 閉器 4を開放して開閉器 3を閉じるとスター結線となり、 開閉器 4を閉じて開閉 器 3を開放すればデルタ結線となる。 Ν 1は中性点である。 低速領域ではスター (Υ) 結線を選択し、 十分に高い電圧を印加することで同一電流に対して大きい トルクを得ることができる。 電動機のインピーダンスが周波数に比例して大きく なるため、 周波数が高くなる高速領域では電流が流れ難くなるため、 インピーダ ンスの低いデルタ （Δ) 結線を選択することで、 電流を流れ易くすることができ る。 ' The star-delta switching method shown in Fig. 6 is an example of a method widely used for the spindle drive of machine tools. In FIG. 6, 22 is a power source, 16 to 21 are diodes constituting a three-phase full-wave rectifying bridge, and 15 is a smoothing capacitor. Reference numeral 14 denotes a converter for converting the AC power supply 22 into a DC power supply. The terminals TP and TN are DC output terminals of the converter section 14 and serve as inputs of the inverter section 1. 2 is an AC motor, T1 to T6 are terminals used for switching, and 3 and 4 are switches such as electromagnetic contactors. When switch 4 is opened and switch 3 is closed, star connection is established, and when switch 4 is closed and switch 3 is opened, delta connection is established. Ν 1 is the neutral point. In the low speed region, a star (Υ) connection is selected, and a sufficiently high voltage can be applied to obtain a large torque for the same current. Since the impedance of the motor increases in proportion to the frequency, it is difficult for the current to flow in the high-speed region where the frequency is high.The current can be made easier to flow by selecting a delta (Δ) connection with low impedance. You. '
図 7は、 二組のスター巻線を直並列に切換るものである。 低速時にはスィッチ 5を閉じて卷線を直列接続し、 高速時にはスィツチ 6と 7を閉じて並列接続する ことにより、 図 6と同様の効果を得る。 さらに、 図 8は図 7の回路を簡素化した もので、 スィッチ 8を閉じると直列接続と同等になり、 全巻線を利用することに なる。 スィッチ 9を閉じると卷線の一部が使用され、 図 7の並列接続に相当する 特性となる。 この場合、 残りの卷線が使用されずに遊ぶことになるため、 図 7に 比べて電流密度が 2倍になるものの、 磁束を作るための卷数は同じであるため誘 起電圧やトルク特性は並列接続と基本的に同等である。 Figure 7 shows the switching of two sets of star windings in series and parallel. At low speed, switch 5 is closed to connect the windings in series, and at high speed, switches 6 and 7 are closed and connected in parallel to obtain the same effect as in FIG. Furthermore, FIG. 8 is a simplified version of the circuit of FIG. 7, and when switch 8 is closed, it becomes equivalent to a series connection, and all windings are used. Closing switch 9 uses part of the winding and corresponds to the parallel connection in Figure 7. Characteristics. In this case, the remaining windings play without being used, so the current density is doubled as compared to Fig. 7, but the number of windings for creating the magnetic flux is the same, so the induced voltage and torque characteristics Is basically equivalent to a parallel connection.
以上の例はいずれも 2段の切換であるが、 これを 3段切換にして、 さらにきめ 細かく制御する方法が、 特許第 3 0 3 7 4 7 1号として開示されている。 In each of the above examples, two-stage switching is performed. However, a method of performing three-stage switching for more fine-grained control is disclosed in Japanese Patent No. 3037471.
これまでに述べた例は、 いずれも機械的接点を持ったスィツチによって切換る ことを前提にしたものである。 スィツチの動作時間に伴う切換の無駄時間を短縮 するための提案がなされている。 図 9は、 本出願人が特公平 7— 9 9 9 5 9で開 示したもので、 2組のィンパータを組合せて， 各ィンバータの制御方法の変更に より、 スタ一結線とデルタ結線とを無接点で切換えるものである。 図 1 0は、 IE EE Transactions on Industry Appiications、 Vol. 32d No. 4、 July/August、199 6、 pp. 938- 944で発表されたものである。 同一電動機の中に施された 2組の異な つた仕様の卷線を 2台のィンバータで駆動し、 それぞれの電流べクトルの組合せ を変更することで、 2極と 4極の特性を切り替えるものである。 The examples described so far all assume that switching is performed by a switch having mechanical contacts. Proposals have been made to reduce the dead time of switching due to the operation time of the switch. Fig. 9 is disclosed by the applicant in Japanese Patent Publication No. 7-999559. By combining two sets of inverters and changing the control method of each inverter, the star connection and the delta connection are changed. Switching is performed without contact. Figure 10 was published in IE EE Transactions on Industry Appiications, Vol. 32d No. 4, July / August, 1996, pp. 938-944. Two sets of windings with different specifications provided in the same motor are driven by two inverters, and the combination of each current vector is changed to switch between the two-pole and four-pole characteristics. is there.
また、 図 8の回路をもとに、 スイッチング素子として半導体制御素子と逆電圧 P it用のダイォードとを直列接続した回路どうしを逆並列接続したものを適用す る方式が、 特許番号第 2 7 4 2 8 0 0号で開示されている。 In addition, based on the circuit of FIG. 8, a method of applying a circuit in which a semiconductor control element and a diode for a reverse voltage Pit are connected in series and connected in anti-parallel to each other as a switching element is disclosed in Patent No. 27. No. 4,280,000.
図 6、 7、 8の方式や特許第 3 0 3 7 4 7 1号の技術では、 すべて接点付きの スィッチで切り替えている。 したがって、 接点を入り切りする機構動作のための 時間が必要になる。 また、 接点寿命を考慮するとインパータ側で一旦電流を遮断 したうえで、 いわゆる無電流開閉を行うことが望ましい。 これらの動作時間を総 合すると、 無視できない程度 （通常、 数十ミリ秒） の無駄時間が生じることにな る。 この無駄時間は、 たとえば工作機械主軸駆動装置においては、 最終製品の品 質に影響することになり、 また、 車両の駆動装置では乗り心地に影響を与える。 接点寿命が有限であること自体も、 見逃せない短所である。 In the systems of Figs. 6, 7, and 8 and the technology of Patent No. 3037471, switching is performed by switches with contacts. Therefore, time is required for the operation of the mechanism for turning the contacts on and off. Considering the contact life, it is desirable to cut off the current once on the impeller side and then perform the so-called currentless switching. The sum of these operating times results in non-negligible wasted time (typically tens of milliseconds). This wasted time affects the quality of the final product in a machine tool spindle drive, for example, and affects the ride quality in a vehicle drive. The finite contact life itself is a disadvantage that cannot be overlooked.
図 8、 9や特許番号第 2 7 4 2 8 0 0号の方式では、 半導体素子による開閉、 あるいは制御モードの変更によって切換えを行っているために、 動作時間の問題 は改善される。 しかしながら、 必要な能動形半導体素子の数が多いために、 コス トが実用化を阻害する要因になる。 さらに、 図 8および特許番号第 2 7 4 2 8 0 0号の方法では、 卷線の中間点に 電源を供給する場合に、 残りの巻線部分に誘起する電圧が電源電圧に加算され、 非使用の端子に高電圧が加わるた.め、 絶縁を強化する必要がある。 In the systems shown in FIGS. 8 and 9 and Patent No. 27428280, the switching is performed by opening and closing by a semiconductor element or by changing the control mode, so that the problem of the operation time is improved. However, due to the large number of active semiconductor elements required, cost is a factor that hinders practical application. Further, in the method of FIG. 8 and the method of Patent No. 27424280, when power is supplied to the middle point of the winding, the voltage induced in the remaining winding is added to the power supply voltage, and Since high voltage is applied to the terminals used, insulation must be strengthened.
[発明の開示] [Disclosure of the Invention]
本発明ほ上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は次の（ 1 )〜（ 3 ) を実現した 3相交流電動機の卷線切換装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a winding switching device for a three-phase AC motor which realizes the following (1) to (3).
( 1 ) 卷線切換えに要する時間を短縮する。 (1) Reduce the time required for winding switching.
( 2 ) 機械的な可動部をもつ開閉器を使用することなしに、 卷線切換用の半導体 スィツチ素子を極力少なくして小形で低コストにする。 (2) The use of a switch having a mechanically movable part without using a semiconductor switch element for winding switching as small as possible to reduce the size and cost.
( 3 ) 卷線の中間点電源を供給する場合においても、 残りの使用しない巻線部分 に誘起する電圧が電源電圧以上に高圧にならないようにし、 卷線の絶縁を強化し なくてよいようにする。 (3) Even when supplying power at the midpoint of the winding, ensure that the voltage induced in the remaining unused windings is not higher than the power supply voltage and that the insulation of the winding does not need to be strengthened. I do.
本発明は上記目的を達するため、 各相の卷線が複数の卷線からなり、 前記複数 の卷線を互いに連結した連結端子と各相巻線の両端子とをモータ外部に設けた交 流電動機と、 前記連結端子を適宜切換える卷線切換手段と、 In order to achieve the above object, the present invention provides an alternating current in which a winding of each phase comprises a plurality of windings, and a connection terminal connecting the plurality of windings and both terminals of each phase winding are provided outside the motor. An electric motor; winding switching means for appropriately switching the connection terminal;
前記交流電動機に可変周波の可変電圧を供給する可変周波数電源とを備えた 3 相交流電動機の卷線切換装置にぉレ、て、 And a variable frequency power supply for supplying a variable frequency variable voltage to the AC motor.
前記卷線切換手段が、 前記各相巻線の一端を前記可変周波数電源に接続し、 他 端と前記連結端子とを各相毎に各々 3相整流手段の交流側入力端子に接続した複 数の 3相整流手段と、 前記 3相整流手段の直流出力側の両端を開閉するように設 けた半導体スィッチとからなるものである。 A plurality of winding switching means, wherein one end of each phase winding is connected to the variable frequency power supply, and the other end and the connection terminal are connected to the AC side input terminal of the three-phase rectifying means for each phase. And a semiconductor switch provided to open and close both ends of the three-phase rectifier on the DC output side.
また、 前記複数の 3相整流手段を 3相全波整流ダイォードブリッジとしたこと を特徴とする請求項 1記載の 3相交流電動機の卷線切換装置である。 2. The winding switching device for a three-phase AC motor according to claim 1, wherein the plurality of three-phase rectifiers are three-phase full-wave rectifier diode bridges.
また、 前記複数の 3相整流手段の各々の直流出力側の両端に、 前記半導体スィ ツチがオフの時に前記 3相整流手段から流れる電流が抵抗とコンデンサからなる 並列回路に流れ、 前記半導体スィッチがオンの時に、 前記並列回路から前記半導 体スィツチに逆流しない方向に設けられたダイォードを介して前記 3相整流手段 の直流出力側を前記並列回路に接続することを特徴とする請求項 1記載の 3相交 流電動機の卷線切換装置である。 また、 前記複数の 3相整流手段の各々の直流出力側の両端に、 前記半導体スィ ツチがオフの時に、 前記 3相整流手段から流れる電流が前記可変周波数電源の直 流母線に流れ、 前記半導体スィッチがオンの時に、 前記可変周波数電源の前記直 流母線から前記半導体スィツチに逆流しない方向に設けられたダイォードを介し て、 前記 3相整流手段の直流出力側を前記可変周波数電源の前記直流母線に接続 することを特徴とする請求項 1記載の 3相交流電動機の卷線切換装置である。 半導体による切換えであるため、 極短時間に切換え動作を完了させることが、 少数の半導体素子で構成できる。 Further, at both ends of each of the plurality of three-phase rectifiers on the DC output side, a current flowing from the three-phase rectifier when the semiconductor switch is off flows in a parallel circuit including a resistor and a capacitor, and the semiconductor switch is The DC output side of the three-phase rectifier is connected to the parallel circuit via a diode provided in a direction that does not flow backward from the parallel circuit to the semiconductor switch when the parallel circuit is turned on. This is the winding switching device for the three-phase AC motor. Further, when the semiconductor switch is off, a current flowing from the three-phase rectifier flows to a DC bus of the variable frequency power supply at both ends of each of the plurality of three-phase rectifiers on the DC output side. When the switch is ON, the DC output side of the three-phase rectifier is connected to the DC bus of the variable frequency power supply via a diode provided in a direction that does not flow backward from the DC bus of the variable frequency power supply to the semiconductor switch. The winding switching device for a three-phase AC motor according to claim 1, wherein the winding switching device is connected to a winding. Since the switching operation is performed by a semiconductor, the switching operation can be completed in a very short time with a small number of semiconductor elements.
また、 巻線を部分的に使用するモードを選択しても、 残りの端子に誘起する電 圧が極度に大きくなることが避けられる。 Also, even if a mode in which the winding is partially used is selected, the voltage induced at the remaining terminals can be prevented from becoming extremely large.
各相の巻線が複数の卷線からなり、 前記複数の巻線を互レ、に連結した連結端子 と各相巻線の両端子とをモータ外部に設けた交流電動機と、 前記連結端子を適宜 切換える卷線切換手段と、 前記交流電動機に可変周波の可変電圧を供給する可変 周波数電源とを備えた 3相交流電動構の卷線切換装置において、 前記卷線切換手 段が、 前記各相卷線の一端を前記可変周波数電源に接続し、 他端と前記連結端子 とを各相毎に各々 3相整流手段の交流側入力端子に接続した複数の 3相整流手段 と、 前記 3相整流手段の直流出力側の両端を開閉するように設けた半導体スィッ チとで構成したので、 つきの効果をもつ。 An AC motor in which a winding of each phase is composed of a plurality of windings, a connection terminal connecting the plurality of windings to each other, and both terminals of each phase winding provided outside the motor, In a winding switching device of a three-phase AC electric structure including a winding switching means for appropriately switching, and a variable frequency power supply for supplying a variable frequency variable voltage to the AC motor, the winding switching means comprises: A plurality of three-phase rectifiers each having one end connected to the variable frequency power supply and the other end connected to the AC input terminal of the three-phase rectifier for each phase; Since it is composed of a semiconductor switch provided to open and close both ends on the DC output side of the means, it has the following effect.
( 1 ) 巻線切換えに要する時間を短縮できる。 (1) The time required for winding switching can be reduced.
( 2 ) 構械的な可動部をもつ開閉器を使用することなしに、 巻線切換用の半導体 スィツチ素子を極力少なくして小形で低コストにできる。 (2) It is possible to reduce the number of semiconductor switch elements for winding switching as much as possible without using a switch having a mechanically movable part, thereby reducing the size and cost.
( 3 ) 卷線の中間点電源を供給する場合においても、 残りの使用しない卷線部分 に誘起する電圧が電源電圧以上に高圧にならないようにし、 卷線の絶縁を強化し なくてよいようにできる。 (3) Even when supplying power at the midpoint of the winding, ensure that the voltage induced in the remaining unused winding is not higher than the power supply voltage and that the insulation of the winding does not need to be strengthened. it can.
( 4 ) また放電用抵抗をなくし図 5のようにた場合は、 エネルギーを抵抗で熱損 失として放散させることなく、 可変周波数電源の平滑コンデンサに吸収されるの で、 モータ駆動に再利用できる。 (4) In addition, if the discharge resistor is removed and the configuration shown in Fig. 5 is used, the energy is absorbed by the variable frequency power supply smoothing capacitor without dissipating the energy as heat loss by the resistor, so it can be reused for motor drive .
波及効果として、 接点による切換え方式にくらべて、 格段に短い時間で卷線の切 換えを行うことができるので、 負荷となる機械 ·装置への切換えの影響を極小に とどめることができる。 As a ripple effect, the switching of the winding can be performed in a much shorter time than the switching method using contacts, minimizing the effect of switching to machinery and equipment as loads. Can be stopped.
[図面の簡単な説明] [Brief description of drawings]
図 1は、 本発明の第 1実施例の基本回路構成図である。 図 2は、 本発明の電圧 状態を示す図である。 図 3は、 本発明の切換えシーケンスを示す図である。 図 4 は、 本発明の第 2実施例の回路構成図である。 図 5は、 本発明の第 1実施例 （図 FIG. 1 is a basic circuit configuration diagram of a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram showing a voltage state according to the present invention. FIG. 3 is a diagram showing a switching sequence according to the present invention. FIG. 4 is a circuit diagram of a second embodiment of the present invention. FIG. 5 shows a first embodiment of the present invention.
1) の応用変形例の回路構成図である。 図 6は、 従来のスター ·デルタ卷線切換 えの構成図である。 図 7は、 2組のスター卷線を直並列に切換える従来技術であ る。 図 8は、 従来の卷線切換えの構成図である。 図 9は、 2組のインパータを組 み合わせた従来技術である。 図 10は、 従来の巻線切換えの構成図である。 It is a circuit block diagram of the application modification of 1). FIG. 6 is a configuration diagram of conventional star-delta winding switching. FIG. 7 shows a conventional technique in which two sets of star windings are switched in series and parallel. FIG. 8 is a configuration diagram of conventional winding switching. Fig. 9 shows the prior art combining two sets of impellers. FIG. 10 is a configuration diagram of conventional winding switching.
[発明を実施するための最良の形態] [Best Mode for Carrying Out the Invention]
以下、 本発明の実施例を図に基づいて説明する。 図 1は本発明の第 1実施例の 基本回路構成図である。 図 1において 1は 3相電動機制御用の可変周波数可変電 圧電¾1であるィンバータ部であり、 主回路トランジスタ Q 1〜Q 6から構成され る。端子 TP、 ΤΝはコンバータの直流出力端子に接続される。 2は交流電動機、 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a basic circuit configuration diagram of a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes an inverter which is a variable frequency variable piezoelectric element for controlling a three-phase motor, and is composed of main circuit transistors Q 1 to Q 6. Terminals TP and ΤΝ are connected to the DC output terminals of the converter. 2 is an AC motor,
12は卷線切換部である。 電動機 2の各相巻線は 2つのコイルから形成され、 そ れらのコイルを接続した中間端子 TU 3、 TV 3、 TW3は電動機の外部端子と して取り出される。 交流電動機 2の各相の卷線端子の一端 TU 2、 TV2、 TWReference numeral 12 denotes a winding switching unit. Each phase winding of the motor 2 is formed of two coils, and the intermediate terminals TU3, TV3, and TW3 connected to those coils are taken out as external terminals of the motor. One end of winding terminal of each phase of AC motor 2 TU 2, TV2, TW
2はインバータ部 1の各相の出力端子 TU1、 TV1、 TW1にそれぞれ接続さ れる。 2 is connected to the output terminals TU1, TV1, and TW1 of each phase of the inverter section 1, respectively.
交流電動機 2の各相の卷線端子の他端 T U 4、 T V 4、 TW4は卷線切換部 1 2中の 3相ダイオードブリッジ DB 2の交流入力端子 TU 7、 TV 7、 TW7に 各々接続される。 交流電動機の各相の前記中間端子 TU 3、 TV 3、 TW3は、 卷線切換部 12中の 3相ダイォードプリッジ D B 1の交流入力端子 TU 6、 T V 6、 TW 6に各々接続される。 3相ダイオードブリッジ DB 1、 DB2の直流出 力側を開閉するように直流出力側をまたがって各々接続された SW1、SW2は、 バイポーラトランジスタゃ I GBTのような自己消弧形の半導体スィツチング素 子である。 The other ends TU4, TV4, and TW4 of the winding terminals of each phase of the AC motor 2 are connected to the AC input terminals TU7, TV7, and TW7 of the three-phase diode bridge DB2 in the winding switching unit 12 respectively. You. The intermediate terminals TU3, TV3, TW3 of each phase of the AC motor are connected to the AC input terminals TU6, TV6, TW6 of the three-phase diode bridge DB1 in the winding switching unit 12, respectively. SW1 and SW2 connected across the DC output side to open and close the DC output side of the three-phase diode bridge DB1 and DB2, respectively, are self-extinguishing type semiconductor switching elements such as bipolar transistors ゃ IGBT. It is.
ここで卷線切換部 12の構成を説明する。 D 1、 D 2は 3相ダイォードプリッ ジ D B 1の直流出力側に接続されたダイォードである。 t) 3、 D 4は 3相ダイォ 一ドブリッジ D B 2の直流出力側に接続されたダイォードである。 ダイォード D 1、 D 2は半導体スィツチ SW1がオフの時に DB 1を流れた電流が CRの並列 回路へ流れるようにし、 SW1がオンの時に CRの並列回路から SW1に逆流す るのを防ぐためのダイオードである。ダイオード D 3、 D4も Dl、 D2と同様、 逆流防止のためのダイオードである。 Cはコンデンサ、 Rは放電抵抗器である。 Cと Rは互いに並列接続されている。 ダイォード D 1の力ソード側の一端は、 C R並列接続端子の一端とダイォード D 3のカソード側の一端に接続される。 ダイ ォード D 1のァノード側の一端は、 3相ダイォードブリッジ D B 1の直流出力の +側端子と SW1のコレクタへ接続される。 ダイオード D 2のァノード側の一端 は、 C R並列接続端子の他端とダイォード D 4のァノード側の一端に接続される。 ダイォード D 2のカソード側の一端は、 3相ダイォードブリッジ D B 1の直流出 力の負側耑子と SW 1めエミッタへ接続される。 ダイォード D 3のァノード側の 一端は、 3相ダイォードブリッジ D Β 2の直流出力の +側端子と SW2のコレク タへ接続される。 ダイオード D 4のカソード側の一端は、 3相ダイォードブリッ ジ DB 2の直流出力の負側端子と SW2のェミッタへ接続される。 Here, the configuration of the winding switching unit 12 will be described. D1 and D2 are the diodes connected to the DC output side of the three-phase diode bridge DB1. t) 3, D 4 is a three-phase diode This is a diode connected to the DC output of DB2. Diodes D 1 and D 2 allow the current flowing through DB 1 to flow to the parallel circuit of CR when semiconductor switch SW1 is off, and to prevent the current from flowing back to SW1 from the parallel circuit of CR when SW1 is on. It is a diode. Diodes D3 and D4, like Dl and D2, are diodes for preventing backflow. C is a capacitor and R is a discharge resistor. C and R are connected in parallel with each other. One end of the diode D 1 on the power source side is connected to one end of the CR parallel connection terminal and one end of the diode D 3 on the cathode side. One end on the anode side of the diode D 1 is connected to the + terminal of the DC output of the three-phase diode bridge DB 1 and the collector of SW1. One end of the diode D2 on the anode side is connected to the other end of the CR parallel connection terminal and one end of the diode D4 on the anode side. One end of the diode D 2 on the cathode side is connected to the negative terminal of the DC output of the three-phase diode bridge DB 1 and the emitter of the first SW. One end of the diode D3 on the node side is connected to the + terminal of the DC output of the three-phase diode bridge DΒ2 and the collector of SW2. One end on the cathode side of the diode D4 is connected to the negative terminal of the DC output of the three-phase diode bridge DB2 and the emitter of SW2.
次に図:！ ^の動作を説明する。 いま、 .SW1だけをオンする （SW2は OFF) と、 DB 1を通してモータ,端子 TU3、 TV3、 TW3が短絡することになり、 モータ卷線の一部分である TU 2— TU 3、 TV2— TV3、 TW2—TW3で 構成されるスター結線に電圧が印加される。 端子 TU4、 TV4、 TW4には、 卷線間の電磁結合により電圧が誘起されるが、放電抵抗 Rの抵抗値が大き!/ヽため、 D3、 R、 D 4を流れる電流は無視できるほど小さい。 この構成は、 モータ卷線 の全部を使う場合よりインピーダンスが低いので高周波領域でも十分な電流を流 すことが可能で高速運転に適する。 一方、 SW 2だけをオンする (SW1は OF F) と、 DB 2を通して電動機端子 TU4、 TV4、 TW4が短絡することにな り、 巻線全部の TU2— TU4、 TV2-TV4, TW2— TW4で構成される スター結線に電圧が印加される。 この場合、 放電抵抗 Rの抵抗値が大きいため D B 1の直流出力側の負側端子から D 1、 R、 D2を流れる電流は無視できるほど 小さい。 この構成は、 前者のモータ卷線の一部分を使う場合よりインピーダンス が高いので低周波領域でも十分な電圧を印加することができ、 同一電流に対して 大きいトルクを発生することができるので、低速での運転に適する。したがって、 運転速度に対応して、 SW1または SW2を選択的にオンすることで、 速度制御 範囲を拡大することができる。 Then figure :! The operation of ^ will be described. Now, when only .SW1 is turned on (SW2 is turned off), the motor, terminals TU3, TV3, and TW3 are short-circuited through DB1, and TU2—TU3, TV2—TV3, which are part of the motor winding. Voltage is applied to the star connection composed of TW2 and TW3. A voltage is induced at terminals TU4, TV4, and TW4 by the electromagnetic coupling between the windings, but the current flowing through D3, R, and D4 is negligibly small because the resistance value of the discharge resistor R is large! / ヽ. . This configuration is suitable for high-speed operation because it has a lower impedance than in the case of using the entire motor winding, so that a sufficient current can flow even in a high-frequency region. On the other hand, when only SW2 is turned on (SW1 is OFF), the motor terminals TU4, TV4, and TW4 are short-circuited through DB2, and all the windings TU2—TU4, TV2-TV4, TW2—TW4 A voltage is applied to the configured star connection. In this case, the current flowing through D1, R, and D2 from the negative terminal on the DC output side of DB1 is negligibly small because the resistance value of the discharge resistor R is large. This configuration has a higher impedance than the former case where a part of the motor winding is used, so that a sufficient voltage can be applied even in a low frequency region, and the same current can be applied. Since it can generate a large torque, it is suitable for driving at low speed. Therefore, the speed control range can be expanded by selectively turning on SW1 or SW2 in accordance with the operating speed.
図 5は、 本発明の図 1を変形した実施例の回路構成である。 図 5の回路構成が 図 1の回路構成と異なる部分は、 図 1では卷線切換部の逆流防止ダイォードがコ ンデンサ Cと抵抗 Rの並列回路に接続されているのに対して、 図 5では逆流防止 ダイオードが、 可変周波数電源の直流母線に接続されている部分である。 即ち、 D 1、 D 3のダイォードは端子 T P 1から可変周波数電源であるィンバータ部 1 直流側の入力端子 T Pに接続され、 D2、 D4のァノードは端子 T N 1力らィ ンバータ部 1の直流側の入力端子 TNに接続されている。 その結果 DB 1、 DB 2を流れてきた電流のエネルギは抵抗で熱損失として放散することなく、 可変周 波数電源の平滑コンデンサへ吸収され、 モータの駆動に再利用できる。 FIG. 5 shows a circuit configuration of an embodiment obtained by modifying FIG. 1 of the present invention. The difference between the circuit configuration of Fig. 5 and the circuit configuration of Fig. 1 is that, in Fig. 1, the backflow prevention diode of the winding switching unit is connected to a parallel circuit of a capacitor C and a resistor R. The part where the backflow prevention diode is connected to the DC bus of the variable frequency power supply. In other words, the diodes D 1 and D 3 are connected from terminal TP 1 to the input terminal TP on the inverter 1 DC side which is a variable frequency power supply, and the nodes D 2 and D 4 are connected to the terminal TN 1 DC side of the inverter 1 Connected to input terminal TN. As a result, the energy of the current flowing through DB 1 and DB 2 is absorbed by the smoothing capacitor of the variable frequency power supply without being dissipated as heat loss by resistance, and can be reused for driving the motor.
図 2は、 SW1をオンしたときと、 SW2をオンしたときの、 電圧の状態をべ クトル的に表したものである。 卷線の一部を使った高速卷線 （図 2 (a) ) を選 択したときでも、 残りの巻線端子 （TU3、 TV4、 TW4) には、 電源電圧と 同等な電圧し力誘起しないことが分かる。 Fig. 2 shows the voltage state when SW1 is turned on and when SW2 is turned on in vector. Even if a high-speed winding (Fig. 2 (a)) using a part of the winding is selected, the remaining winding terminals (TU3, TV4, TW4) will have the same voltage as the power supply voltage and will not induce any force. You can see that.
次に卷泉切換方法について説明する。 SW1と SW2とを切り替えるシーケン スとしては、 図 3に示すように二通りの方法がある。 同図 （a) では、 切換え信 号により先ずィンパータ部 1側で電流を遮断する。 この無電流の状態で SW 1、 SW2間の切換えを行い、 その後インパータ部 2側で電流を再通流する。 電流を 遮断して、再投入するまでの時間 t 1 、実際の切換えに要する時間となる。 （S G 1 ) はィンバータ制御回路又はィンバータを制御する上位制御装置から出力さ れる卷線の切換え信号、 （ S G 2 )はモータ卷線に流れる電流、 （ S G 3 ) 、 (S G4) は各々半導体スィッチ SW1、 SW2の導通状態を示す。 この方法は、 従 来の接触器を使う方法で、接点の寿命を延長するために行われているものであり、 本発明に適用する場合でも、 素子を無電流でオンオフするため、 スイッチングに ともなう過大電圧を避けることができる。 半導体素子の動作が速いために、 無電 流にする期間 t 1は接触器を用いる方法に比べて桁違いに動作時間を短くするこ とができる。 図 3 (b) に示す切換え方法は、 インバータ部 1での電流遮断を行わずに切換 えるものである。 半導体の動作が極めて速いとはいえ、 僅かの動作遅れ時間によ つて、 SW1と SW2とが同時にオンする期間が生じる可能性があるため、 これ を防止するために、 それぞれがオンする期間の間に、 双方の半導体スィッチ SW 1と SW2がオフとなるデッドタイム t 2を入れる必要がある。 このデットタイ ムは、 半導体の高速スィツチング特性によりごく短くてすむものの （通常、 数マ ィグロ秒以下） 、 モータ卷線のインダクタンス （L) に蓄えられた電流 （i) に よるエネ ギ （E = (l/2)L i 2) がこの期間に放出されるので、 スイッチング回 路に過電圧が印加されることになる。 第 1実施例である。 図 1の SW1、 SW2 両端から、 ダイオード D 1、 D 2、 D3、 D 4を介して接続されているコンデン サ Cは、 このサージ電圧を吸収するためのもので、 Rは放電抵抗器である。 図 1 の変形例である図 5の場合は、 SWl、 SW2はダイオード D l、 D2、 D3、 D 4を介して可変周波数電源の平滑コンデンサに接続されているので放電抵抗器 は不要である。 図 3 (a) で示した無電流の状態で SW1、 SW2の切換えをす る場合はコンデンサ Cは必ずしも設けなくてもよい。 Next, a method of switching the springs will be described. As shown in Fig. 3, there are two ways to switch between SW1 and SW2. In the figure (a), the current is first cut off on the side of the impeller 1 by the switching signal. Switching between SW1 and SW2 is performed in this no-current state, and then the current flows again on the impeller section 2 side. The time t 1 from when the current is cut off to when it is turned on again is the time required for actual switching. (SG 1) is a winding switching signal output from the inverter control circuit or a host controller for controlling the inverter, (SG 2) is a current flowing through the motor winding, and (SG 3) and (SG 4) are semiconductors, respectively. Shows the conduction state of switches SW1 and SW2. This method uses a conventional contactor and is used to extend the life of the contact.Even when applied to the present invention, the element is turned on and off with no current, and thus involves switching. Excessive voltage can be avoided. Since the operation of the semiconductor element is fast, the operation time can be shortened by an order of magnitude in the period t1 during which no current flows, as compared with the method using a contactor. The switching method shown in Fig. 3 (b) switches without interrupting the current in the inverter unit 1. Although the semiconductor operation is extremely fast, there is a possibility that SW1 and SW2 may be turned on at the same time due to a slight operation delay time. In addition, it is necessary to insert a dead time t2 when both semiconductor switches SW1 and SW2 are turned off. This dead time can be very short (usually less than a few microseconds) due to the high-speed switching characteristics of semiconductors, but the energy (E = (E = ( Because l / 2) L i 2 ) is released during this period, an overvoltage is applied to the switching circuit. This is the first embodiment. Capacitor C connected from both ends of SW1 and SW2 in Fig. 1 via diodes D1, D2, D3 and D4 is to absorb this surge voltage, and R is a discharge resistor . In the case of FIG. 5 which is a modification of FIG. 1, SWl and SW2 are connected to the smoothing capacitor of the variable frequency power supply via the diodes Dl, D2, D3 and D4, so that a discharge resistor is unnecessary. When switching between SW1 and SW2 in the no-current state shown in Fig. 3 (a), the capacitor C is not necessarily provided.
本発明の第 2の実施例を図 4に示す。本実施例は、モータの各相毎の卷線が各々 3つに分割されている場合である。 第 1実施例 (図 1)と異なる部分は、 モータの 各相巻 Iの分害 ij数が 2力 ら 3に増えた点と、 分割数の増加に対応して、 3相ダイ オードブリッジ DB 3、 ダイオード D 5、 D6、 半導体スィッチ SW 3を増設し た点である。 FIG. 4 shows a second embodiment of the present invention. In this embodiment, the windings for each phase of the motor are divided into three. The difference from the first embodiment (Fig. 1) is that the number of harmful ijs of each phase winding I of the motor has increased from 2 to 3 and that the three-phase diode bridge DB 3. The addition of diodes D5 and D6 and semiconductor switch SW3.
次に第 2実施例における卷線切換部 13が第 1実施例の卷線切換部 12と異な る構成について説明する。 ダイォード D 5の力ソード側の一端は、 ダイォード D 1、 D 3のカソード側端子と同様に C R並列接続線端子の一端に接続される。 ダ ィォード D 5のカソード側の一端は、 3相ダイォードブリッジ D B 3の直流出力 の +側端子と SW3のコレクタへ接続される。 Next, a configuration in which the winding switching unit 13 in the second embodiment is different from the winding switching unit 12 in the first embodiment will be described. One end of the diode D5 on the force source side is connected to one end of the CR parallel connection terminal in the same manner as the cathode terminals of the diodes D1 and D3. One end on the cathode side of the diode D5 is connected to the + terminal of the DC output of the three-phase diode bridge DB3 and the collector of SW3.
ダイオード D 6のァノード側端子は、 ダイオード D 2、 D 4のァノード側端子 と同様に CR並列接続端子の他端に接続される。 ダイォード D 6の力ソード側端 子は、 3相ダイォードブリッジ D B 3の直流出力の負側端子と S W 3のェミッタ へ接続される。 また、 図 1の変形例として図 5を構成したのと同様にして、 図 4の場合も逆流 防止用のダイォードを可変周波数電源の直流母線へ接続することができる。 なお、 本発明で使用する交流電動機は、 誘導形、 同期形、 あるいは回転形、 直 動形の別を問わないので、 どのような交流電動機でも適用できる。 The anode side terminal of the diode D6 is connected to the other end of the CR parallel connection terminal similarly to the anode side terminals of the diodes D2 and D4. The force source terminal of the diode D 6 is connected to the negative terminal of the DC output of the three-phase diode bridge DB 3 and to the emitter of the SW 3. Further, similarly to the configuration of FIG. 5 as a modification of FIG. 1, a diode for backflow prevention can be connected to the DC bus of the variable frequency power supply in the case of FIG. The AC motor used in the present invention is not limited to an induction motor, a synchronous motor, a rotary motor, or a linear motor, and any AC motor can be used.
[産業上の利用可能†生] [Industrial availability]
各相の卷線が複数の卷線からなり、 前記複数の卷線を互いに連結した連結端子 と各相巻線の両端子とをモータ外部に設けた交流電動機と、 前記連結端子を適宜 切換える卷,線切換手段と、 前記交流電動機に可変周波の可変電圧を供給する可変 周波数電源とを備えた 3相交流電動機の巻線切換装置にぉレヽて、 前記卷線切換手 段が、 前記各相卷線の一端を前記可変周波数電源に接続し、 他端と前記連結端子 とを各相毎に各々 3相整流手段の交流側入力端子に接続した複数の 3相整流手段 と、 前記 3相整流手段の直流出力側の両端を開閉するように設けた半導体スィッ チとで構成したので、 つきの効果をもつ。 An AC motor in which a winding of each phase is composed of a plurality of windings, a connection terminal connecting the plurality of windings to each other, and both terminals of each phase winding provided outside the motor, and a winding for appropriately switching the connection terminal. A winding switching device for a three-phase AC motor, comprising: a line switching means; and a variable frequency power supply for supplying a variable frequency variable voltage to the AC motor, wherein the winding switching means comprises: A plurality of three-phase rectifiers each having one end connected to the variable frequency power supply and the other end connected to the AC input terminal of the three-phase rectifier for each phase; Since it is composed of a semiconductor switch provided to open and close both ends on the DC output side of the means, it has the following effect.
( 1 ) 卷線切換えに要する時間を短縮できる。 (1) The time required for winding switching can be reduced.
( 2 ) 機械的な可動部をもつ開閉器を使用することなしに、 卷線切換用の半導体 スィツチ素子を極力少なくして小形で低コストにできる。 (2) It is possible to reduce the number of semiconductor switch elements for winding switching as much as possible without using a switch having a mechanically movable part, thereby reducing the size and cost.
( 3 ) 巻線の中間点電源を供給する場合においても、 残りの使用しない卷線部分 に誘起する電圧が電源電圧以上に高圧にならないようにし、 卷線の絶縁を強化し なくてよいようにできる。 (3) Even when supplying power at the midpoint of the winding, ensure that the voltage induced in the remaining unused windings is not higher than the power supply voltage and that the insulation of the windings does not need to be strengthened. it can.
( 4 ) また放電用抵抗をなくし図 5のようにた場合は、 エネルギーを抵抗で熱損 失として放散させることなく、 可変周波数電源の平滑コンデンサに吸収されるの で、 モータ駆動に再利用できる。 (4) In addition, if the discharge resistor is removed and the configuration shown in Fig. 5 is used, the energy is absorbed by the variable frequency power supply smoothing capacitor without dissipating the energy as heat loss by the resistor, so it can be reused for motor drive .
波及効果として、 接点による切換え方式にくらべて、 格段に短い時間で卷線の切 換えを行うことができるので、 負荷となる機械 ·装置への切換えの影響を極小に とどめることができる。 As a ripple effect, the switching of the winding can be performed in a much shorter time than in the case of the switching method using contacts, so that the effect of switching to a machine or device serving as a load can be minimized.
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